阅读说明：本技术 用于警示灯的光学系统 (optical system for warning lamp ) 是由 T·J·史密斯 于 2018-03-13 设计创作，主要内容包括：一种LED光学组件,包括LED、透镜和反射器。所述透镜由围绕旋转轴旋转的光入射面和光发射面组成。所述反射器具有成对的第一反射面和成对的第二反射面。所述第一反射面由绕所述旋转轴旋转的第一曲线限定。所述第二反射面由沿所述旋转轴投影的第二曲线限定。所述透镜和反射器配合以将LED发射的光重定向为垂直地准直广角光束。(An LED optical assembly includes an LED, a lens, and a reflector. The lens is composed of a light incident surface and a light emitting surface that rotate around a rotation axis. The reflector has a pair of first reflective surfaces and a pair of second reflective surfaces. The first reflective surface is defined by a first curve that rotates about the axis of rotation. The second reflective surface is defined by a second curve projected along the axis of rotation. The lens and reflector cooperate to redirect light emitted by the LED into a vertically collimated wide angle beam.)

用于警示灯的光学系统

背景技术

本公开一般涉及用于分配来自光源的光的光学系统，并且更具体地涉及一种用于将LED的光输出重定向到垂直准直的广角光束的光学系统。

市售的LED具有相对于通过发光管芯的光轴的特征性的空间辐射模式。所有LED辐射模式的共同特征是，光从包含发光管芯的平面的一侧以垂直于该平面的模式围绕LED光轴发射。由LED产生的光在以光轴为中心的半球内辐射。该半球内光辐射的分配取决于覆盖LED发光管芯的透镜(如果有)的形状和光学特性。因此，LED可以被描述为“定向的”光源，因为它们产生的所有光都是从装置的一侧发射的。

当设计用于特定目的的光源时，重要的是通过确保基本上所有产生的光被布置在由并入光源的装置的最终用途所决定的照明模式或照明场中而使效率最大化。

LED在警示灯和信号灯中的应用是众所周知的。较旧的LED型号在以LED的光轴为中心的相对狭窄的视角内产生的光量有限。这些LED通常以紧凑阵列的形式聚集，以填充给定的照明区域并提供必要的光输出。最近开发的高输出LED的每个组件产生的光通量显著增加；允许更少的LED产生许多警示应用和信号应用所需的光通量。已知在灯具中布置少量的高输出LED，并且为每个高输出LED提供内反射的准直透镜。准直透镜将来自LED的光组织成以LED光轴为中心的准直光束。这样的布置通常不会填满灯具，导致由在未照明背景下布置的亮斑组成的不期望的外观。有时在外部透镜/外盖上使用光传播光学部件，以改善灯具的外观。还已知通过改变LED相对于安装灯具的表面的位置来创建广角光发射模式。相对于垂直表面的倾斜或隔开LED可以将光传播，使光能够从许多有利位置被看到。

本申请将讨论用于改变相对于基准线或基准面来自LED的光的发射轨迹的光学装置。为了本申请的目的，“准直”是指“重定向到与基准线或基准面基本平行的轨迹”。基本平行是指与基准线或基准面平行5°以内的轨迹。当讨论光相对于一个平面的准直时，应该理解的是，修改了从基准面发散的发射轨迹的分量，以使得轨迹的发散分量位于与基准面平行的5°以内，而不修改与基准面平行的发射轨迹的分量。对于安装在垂直表面上的LED，光以半球形模式发射，该半球形模式以垂直于垂直表面的LED的光轴为中心，即，每个LED的光轴是水平的。如果将LED安装成排，则光轴包括在同一水平面中，该水平面通常是水平基准面。在这种情况下，“垂直准直”是指将从水平基准面(包括LED光轴)向上或向下偏离的光重定向到与水平面基本平行的方向。假设没有其他障碍或方向的变化，则来自每个LED的垂直准直光将在水平方向上分散在大约180°的弧上。相邻LED的光重叠以产生水平光束，该水平光束的峰值强度是任何一个LED的峰值强度的许多倍。

在本领域中需要一种光学元件，该光学元件将从LED发射的光重定向到垂直准直、水平分散的光束中。需要在填充灯具并将光源安装在与安装表面平行的平面中的同时完成这种光分散模式。

装置概述

根据本公开的LED光学组件的一个实施例，LED光学组件包括发光二极管(LED)、透镜和反射器。所述LED包括位于第一平面中的发光管芯并且具有从所述发光管芯垂直于所述第一平面延伸的光轴。所述LED在以所述光轴为中心的半球内向所述第一平面的一侧发射光。所述透镜由位于第二平面中绕旋转轴旋转的光入射面和光发射面组成。所述第二平面垂直于所述第一平面并且所述第二平面包括所述光轴。所述反射器具有成对的第一反射面和成对的第二反射面，所述第一反射面与所述第二平面相交，所述第二反射面与第三平面相交。所述第一反射面由绕所述旋转轴旋转的第一曲线限定。所述第二反射面由沿所述旋转轴投影的第二曲线限定。所述第三平面包括所述光轴并且垂直于所述第一平面和所述第二平面。

所述光入射面和所述光发射面配合，以将从所述光入射面入射且从所述LED发射的光重定向到与所述第三平面平行的平面中。所述第一反射面将从所述第一反射面入射且从所述LED发射的光重定向到与所述第三平面平行的平面中。所述第二反射面将从所述第二反射面入射且从所述LED发射的光重定向到与所述第二平面平行的平面中。

在另一个实施例中，所述LED光学组件包括多个光学单元，每个光学单元包括LED、透镜和反射器。每个光学单元可以具有多个LED。在一些实施例中，所述第一曲线具有包括聚点的第一焦点，并且所述第二曲线具有包括所述聚点的第二焦点。所述聚点可以位于所述光轴和所述旋转轴的交叉处。

具体实施方式

现在将参考附图描述紧凑型多功能灯头的实施例，其中，贯穿图1-图6B中，相同的数字表示相同的部件。

图1-3A示出了包括所公开的光学系统10的警示灯组件100。图1示出了固定在安装表面12上的警示灯组件100，该安装表面可以是紧急车辆(例如消防车、救护车或救援车辆)的垂直表面。如图1所示，警示灯组件100包括灯头30和围绕灯头30的边框16。灯头30包括36个光学单元24的矩形阵列，每个矩形陈列包括至少一个LED34。如图3A所示，光学单元24布置在6×6的网格中。每个光学单元24包括光学系统10，以将来自至少一个LED34的光重定向到期望的光发射模式。

如下文将更详细地描述的，期望的光发射模式是垂直准直的广角光束。如在本申请中所使用的，垂直准直意味着从LED34发射的光具有相对于观察者的视角在图3A和图3B中指向“上”或“下”的轨迹，该光通过折射和/或反射被重定向到基本上与水平面对齐的轨迹，该水平面被指定为图3B中的第三平面P3。从LED34发射的光具有相对于观察者的视角在图3A中指向“右”或“左”的轨迹，该光被选择性地重定向到基本上与垂直面对齐的轨迹，该垂直面被指定为图3B中的第二平面P2。从每个LED34发射的大部分光具有从第二平面P2发散的轨迹，这些光相对于第二平面P2并不重定向，而一些广角光(具有从第二平面P2发散最广泛的轨迹的光)被重定向到基本上与第二平面P2对齐的轨迹上。所产生的光发射模式是垂直准直的，具有宽的水平的角展度，使得警示灯在相对于紧急车辆的位置范围内可见。

如图2A-图2B所示，灯头30由盖子14、反射器70、密封件32、透镜组50、PC板36和散热板38构成的。如图6A和图6B最佳所示，透镜组50具有面向后方的定位销62，该定位销62装配到PC板36正面的相应开口中，并且使每个透镜52相对于光学单元24的LED34对齐。在所示的实施例中，散热板38包括用于从PC板36向后延伸的电线的开口，以及穿过PC板36向前延伸以接合反射器70的紧固件。密封件32容纳在反射器70的后部周围的凹槽中，并且与散热板38接合，以提供围绕透镜52和PC板36的防风雨密封。在PC板36和散热板38之间夹有共热垫圈13，以将PC板36与铝散热板38电绝缘，同时提供从LED34到散热板38的热路径，如本领域已知的。盖子14包括面向后方的唇缘，该唇缘容纳在反射器70的相应凹槽中。在将盖唇***到凹槽中之前，将粘合剂珠注入凹槽中。在所示的实施例中，盖子14包括咬合特征，该咬合特征与反射器70接合，以在粘合剂固化时保持盖子14与反射器70之间的固定关系。完全组装的灯头30为PC板36、透镜组50和反射器70提供了密封外壳。

图3A示出了包含相同的光学单元24的阵列22，每个光学单元具有光学系统10。图3B更详细地示出了一个光学单元24(如图3A中的虚线圈所包围)。每个光学系统10包括LED34(在图4B中示出)，该LED34通过透镜52发射光并且被第三平面P3上方和下方的一对第一反射面72和第二平面P2左侧和右侧的一对第二反射面74所包围。参照下面的图4A至图5B，沿着描述的剖面线4-4和剖面线5-5分析透镜52和反射器70的细节。

图4A示出了沿着图3A的线4-4的灯头30的横截面。在图4B中更详细地示出了透镜52和反射器70。每个LED34具有光轴40和位于第一平面P1中的发光管芯。LED34在第一平面P1的一侧以光轴40为中心的半球内发射光。聚点42位于光轴40和第一平面P1内的旋转轴44的交叉处。LED34安装到PC板36，该PC板36提供电力并且具有热路径以允许热量散发到散热板38(未示出)中。PC板36平行于第一平面P1。第二平面P2包括旋转轴线44并且垂直于第一平面P1。第三平面P3包括光轴40并且垂直于第一平面P1和第二平面P2。

参见图4B，第一反射面72与第二平面P2相交，并且由绕旋转轴线44旋转的第一曲线限定。在所示的实施例中，第一曲线在聚点42处具有第一焦点。LED34从旋转轴线44发射的小于α°的光被第一反射面72重定向。在所示的实施例中，α约为40°。透镜52由光入射面54、光发射面56和过渡面58限定。在所示的实施例中，这些表面结合以形成绕旋转轴线44旋转的固体光学元件。透镜52的表面54、56、58配合以消除入射在光入射面54上的由LED34发出的光的垂直分量。过渡面58相对于旋转轴线44的角β可以匹配通过光入射面54折射的光的轨迹。在所示的实施例中，角β约为68°。

第一反射面72和透镜52消除了由LED34发射的光的垂直分量。换句话说，第一反射面72和透镜52配合，以将由LED34发射的光重定向到与第三平面P3平行的平面中。

图5A示出了沿图3A的线5-5的灯头30的横截面。第一反射面72和第二反射面74在该视图中清晰可见并且在图5B中更详细地示出。第二反射面74与第三平面P3相交并且由第二曲线限定。第二曲线沿旋转轴线44投影以形成第二反射面74。在所示的实施例中，第二曲线具有与聚点42重合的第二焦点。第二反射面74将由透镜52折射的光或由第一反射面72反射的光重定向到基本平行于第二平面P2的平面中。如前所述，由透镜52折射的光或由第一反射面72反射的光被重定向到与第三平面P3平行的平面中。因此，从LED34发射的最终由第二反射面74反射的光通常相对于光轴40准直。

参照图6A和图6B，透镜组50包含通过支架60连接的多个透镜52。所示的灯头30组装了三个独立的透镜组50，以重定向来自PC板36上多个LED34的光。支架60将透镜52彼此连接，并将透镜组50固定在反射器70和PC板36之间(如图4A和图5A所示)。透镜组50背面的销钉62接合PC板36中的互补孔，并且相对于LED34定位透镜52。

所示的实施例在每个单元24中具有单个LED。在其它实施例中，每个单元24在第一平面P1和第三平面P3内包含三个单独的LED 34，该LED34具有沿着焦轴46的光轴40。三个LED34可以发射不同颜色的光。由于每个光学单元中有多个LED，只有一个LED可以具有包含焦点42的光轴40。阵列22的每个光学单元24可以具有与包括焦点42的光轴40相同颜色的LED，或者相邻的单元组可以交替LED位置以平衡每种颜色，从而对于LED的每种颜色的产生基本上相似的光分散模式。

在所示的实施例中，没有光在没有通过透镜52、第一反射面72或第二反射面74中的至少一个的重定向的情况下离开灯头30。反射面72、74和透镜52配合以产生填充边框16的光分散模式，该光分散模式是垂直准直的广角光束。在没有明显脱离本公开的范围的情况下，角α或角β可以不同。这可以允许光在没有重定向的情况下逃离灯头30。

图7和图8分别在水平方向和垂直方向上图形化地表示了来自光学单元24的光发射模式。图中示出了具有宽水平角展度的垂直准直的光分散模式。水平分散允许相邻的单元24形成连续的水平光带，以最小化灯头30中的亮斑。

图7示出了水平分散到广角光束。当以图形方式呈现时，在水平方向上形成的光束在相对于光轴40发散最多约48°的角度范围内发射出更多的光。从LED34通过光学系统10在水平方向上的发射模式导致具有与第二平面P2对齐的强发射的广角光发射模式。

图8示出了垂直准直，该垂直准直与相对于0°中心线大约15°的垂直准直光束相对应，所述0°中心线与第三平面P3重合。换句话说，从LED34通过光学系统10的发射模式产生光束，在该光束中，基本上全部的光都是在垂直方向上相对于第三平面P3以15°或更小的角度发射。由光学单元24在垂直方向上产生的光束的最大强度在发射模式的中心，当以图形方式呈现时，该发射模式类似于与第二平面P2和第三平面P3对齐的相对尖锐、狭窄的尖峰。

尽管出于说明的目的已经提出了优选实施例，但是上述描述在这里不应当被认为是对本发明的限制。因此，在不脱离本发明的精神和要求保护的范围的情况下，本领域的技术人员可以进行各种修改、改编和替代。